JPH04500780A - 金属鋳造に用いられる鋳型と中子の調製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 金属鋳造に用いられる鋳型 、　′ この発明の主題は、鋳型と中子が粒状の鋳型素材からと、鋳型素材の粒子を共に 結合するバインダー材から調製される、金属の鋳造に用いられる鋳型と中子の調 製方法である。

従来技術において、金属鋳造に使用される鋳型と中子を調製するために、鋳型砂 の粒子を有機および／または無機のバインダー材の手段により結合する方法が知 られており、その硬化は、化学反応の結果として、実質的には、鋳型成形混合物 の状態で行なわれる．このような化学反応の反応結果として、化学的組成物が作 られ、鋳型成形混合物の粒子を結合する．これらの従来技術の主な欠点は、鋳造 後の鋳型と中子の分解品質が満足でなく、実施困難でさえあることで共通してい る。

前記のこれらの方法において、有機バインダー材組成物が多用され、これらは、 バインダー材に、鋳型成形混合物にコンパウンドされたものとして残り、鋳造中 または鋳造後、熱分解ガスとなる．これらの熱分解ガスは、極めて有害なもので 、作業者の健康にとり危険で、環境問題を惹起させる．さらに、これらの従来技 術方法においては、バインダー材の硬化で行なわれる化学反応の結果として作ら れるコンパウンドは、実質的に鋳型成形素材の粒子の再使用を制限すると共に鋳 型成形素材の再生コストを増加する．このことは、化学反応の結果として作られ るコンパウンドが安定した性状を有し、そして、再使用のため、許容できる純粋 な粒子として鋳型成形素材を得ようとすれば、バインダー材結合を破壊するのに 、極めて多くのエネルギーを必要とする事実に起因する。

さらに、鋳型を分解し、鋳型砂を再生するには、機械的作業工程を必要とし、多 量の塵埃が発生し、作業安全性、環境問題、放出物の減少に対する高額な投資コ スト、さらには、廃棄物の廃棄コストなどの問題を惹起する．とりわけ、前記し たような熱分解ガス、塵埃のため、費用のかかる空調と一過システムを鋳物工場 に建設しなければならない。

従来技術において、鋳型と中子を調製する方法は、知られており、水溶性の無機 塩がバインダー材として使用される．しかしながら、これらの方法において、バ インダー材の硬化は、化学反応を介して行なわれる。このような方法の一つは、 以前、例えば米国特許４，３９９，８５８に記載されている．鋳型成形素材の粒 子を結合する反応生成物が低融点をもつことが、これらの方法の一大欠点である ．このことは、特に、高融点の合金を鋳造する場合、鋳型素材の粒子が分離し、 溶融金属の流れにそって運ばれてしまう状態になる。

従来技術の方法は、珪酸ソーダがバインダー材として使用される所謂、珪酸ソー ダ方法であり、この珪酸ソルダは、珪酸ソーダ・バインダー材方法を特に発展さ せたものである．しかしながら、このような方法において、珪酸ソーダが極めて 多量の珪酸塩成分を含んでいなければないことが必須である．このことは、バイ ンダー材が水に完全に溶解せず、容易に加水分解できる偽溶液となり、過剰のＳ ｉ０　２が遊離する事実を結果する，　Ｓｉ０　２濃度がノーマルなソジアムメ タシリケートと比較し、原則として約２．５倍であるＮａ２　・Ｓ１０２化合物 が溶剤である水を失うとき、そこから完全に不溶性の化合物が鋳型成形粒子の間 に形成される．これが、珪酸ソーダ方法の手段により調製された鋳型と中子が分 解せず、またはバインダー材が粒子の間から溶解し去るような中空にならない理 由である．さらに、珪酸ソーダ方法においては、硬化の際、主にＣＯ２ガス処理 が用いられ、その結果として、炭酸ナトリウムが生成し、そして、増加した過剰 のＳｉ０２ゲル成分が生成し、これによって、溶解性がさらに低下する．このよ うな従来技術の珪酸ソーダ方法において、バインダー材が二酸化炭素に接触する とき、炭酸塩が生成され、バインダー材が他の不純物と接触するとき、他の不溶 性化合物が生成する．このように、化学反応が常時性なわれ、その結果として、 不溶性化合物が生成することは、従来技術の方法の本質的かつ特徴的な特徴であ る．従来技術の珪酸ソーダは正確な融点をもたず、非常に低い温度からスタート する不明確な“融点範囲”を有することが、従来技術方法のさらなる本質的欠点 であるこの発明の目的は、従来技術を凌ぐ本質的な改良とさらにまた、従来技術 方法に関連する欠点を除くことである。これを達成するために、この発明は、鋳 型成形混合物に使用されるバインダー材が水に溶解する無機塩で原則として鋳造 温度よりも高い高融点を有し、そして、前記塩が水に溶解するバインダー材溶液 として粒子状の鋳型素材と混合するものであり、かつ、前記塩は、鋳型を成形す る工程において、その水溶液から物理的に結晶化し、その結果、バインダー材が 鋳型素材の粒子間のソリッドなブリッジを形成し、このブリッジが鋳型素材の粒 子を結合し、前記塩の化学的特性が鋳型成形の工程と鋳造工程中、変化しない状 態で維持でき、鋳造工程後、前記塩は、水に溶解するか、または、バインダー材 の不飽和水溶液となって、鋳型の部分が分解できるようになることを特徴とする ものいである。

かくして、この発明の方法においては、鋳型と中子は、融点が原則として金属の 鋳造温度よりも高い水溶性の無機塩の手段により、鋳型素材の粒子を結合するこ とによって調製される。従来の技術に比較し、この発明の方法の手段により、例 えば、以下に述べるような種々の顕著な利点が得られる。

この発明の方法において、バインダー材の硬化が化学反応なしに行なわれ、工程 中、触媒ガスは、−切必要なという理由で、鋳型成形中、作業者の健康に有害な 放出物は、−切生成されない。

鋳造中または鋳造後、金属が固化し、または冷却するとき、環境、作業者の健康 または鋳造物の品質に有害な熱分解ガスは、−切発生しない。

鋳造物が固化した後、水またはバインダー材の不飽和水溶液の手段によりバイン ダー材を溶解し去ることによって、鋳型と中子を容易に崩壊させることができる 。

鋳型と中子を作るのに使用した鋳型素材は、再使用のため、ウェットなルートに そって簡単に再生できる。

以下において、この発明は、発明の方法の各種の工程を箇条書きして詳細に記載 する。

ａ）この発明の方法において使用されるバインダー材は、水に溶解する高融点の 無機化合物、特には無機塩である。その融点は、高く、原則として鋳造温度では 溶けないほど高い点が、バインダー材の必須の特性である。

ｂ）さらに、その特性に関しては、バインダー材は、鋳型成形と鋳造工程におい て派生する温度では、鋳型素材の粒子中のミネラル成分と化学反応せず、したが って、水に溶解しない化合物を生成しないようなものである。

Ｃ）　ａ）とｂ）の項目によるバインダー材から、まず、水溶液が作られ、これ が鋳型素材の粒子と混合される。

ｄ）バインダー材溶液の表面張力により、バインダー材溶液は、鋳型素材の粒子 の間の接触点において、液体の集結の理由で、液体ブリッジを作る。

ｅ）バインダー材溶液は、高粘度を有し、鋳型素材の粒子の主なミネラル成分に 対する高度の粘着性を有し、鋳型素材の粒子が互いに“膠着け”され、鋳型成形 混合物を一体的に保持し、バインダー材それ自体が未だに溶液状態であっても型 作りできるようなことになる。

ｆ）バインダー材溶液における溶剤として使用される水が鋳型または中子に存在 する鋳型成形混合物から除去されると、ｄ）で述べた液体ブリッジの代りにバイ ンダー材の固形ブリッジが形成され、この固形ブリッジが鋳型成形素材の粒子を 互いに緊密に固める。

前記“固形”バインダー材ブリッジの物理的状態は、部分的に結晶、部分的にア モルファスの状態である。

バインダー材溶液の溶剤を鋳型成形混合物からの前記除去することは、例えば、 エバポレーション、蒸発またはボイリングによって行なうことができる。

バインダー材からの溶剤の除去は、使用されたバインダー材塩がどのようなセカ ンダリ−な物質とも反応しないように行なわれなければならないことが、この発 明方法のさらなる必須の特徴である。

そのようなセカンダリ−な物質とは、例えば、鋳型成形粒子それ自体、粒子の汚 染物、浸漬コーティング素材、溶解金属、空気中の反応ガスなどである。

この特性は、この発明にとり必須なもので、何故ならば、バインダー材塩は、使 用される溶剤に溶解しないか、または、溶解しにくい新たな化学化合物を生成し てはならないからである。

グ）　バインダー材は、上記ａ）とｂ）に挙げた特性を有しているので、鋳造工 程の間にわたる温度では、溶解したり、分解したり、または燃焼したすせず、こ れらの理由で、鋳造に関しては、発生すると中子内と鋳型部分内の圧力を増加さ せたり、さらに、その結果として、鋳造物に巣を作る熱分解ガスが一切発生しな い、一般に、巣は、現行方法における顕著な欠点である。

ｈ）　Ｍ型を崩壊することは、水に溶解するバインダー材を水の手段で鋳型素材 の粒子の間の接触点と粒子表面から溶は去らせることで行なえる。。

ｉ）鋳型素材の粒子は、水洗、乾燥後直ちに再使用できる。乾燥は、例えば、遠 心作用のみでも行なえる。

ｊ）この方法に用いる溶解されたバインダー材の量は、鋳型素材の全量に対し約 ０．５〜２０重量％である。

最適には、溶解したバインダー材の量は、鋳型素材に対し１〜５重量Ｘである。

ｋ）この方法に使用されるバインダー材と鋳型成形粒子素材のコンビネーション は、高い鋳造温度であっても互いに化学的に反応せず、その結果、水に不溶の反 応結果物が生成されないように選択されることがこの発明の方法の必須にして極 めて顕著な特徴であＩ）項目ｋ）によるバインダー材と鋳型成形粒子素材の組合 わせは、例えば、次の組合わせで使用されることが可能である： １）バインダー材として、アルミン酸ナトリウムＨａ＾１０２、即ち、Ｎａ２０ −＾１２０３、鋳型成形粒子素材として、鋼玉、即ち、酸化アルミニウムＡ１０ 　、バインダー材のモル比は、一定の範囲内で変わるが、好ましくは、例えば、 １：１である。

２）バインダー材として、メタ珪酸ナトリウム、即ち、珪酸ソーダＮａ、、　Ｓ ｉ０３、即ち、Ｈａ、、　・Ｓｉ０２、そして、鋳型成形粒子素材として、クォ ーツ粒子、即ち、二酸化珪素、ＳｉＯ、この場合も同様に、バイングー材のモル 比は、変化するが、モル比１：１を使用することが有利である。

３）バインダー材と鋳型成形粒子素材の組合わせとして、バインダー材と鋳型成 形素材が上記ａｌ、　ｂ）、　ｋｌに記載の理論にしたがうものであれば、いか なる適当な組合わせも使用可能である。１）と２）で与えられたバインダー材と 鋳型成形素材の組合わせは、代替可能な有利な例のみである。さらに、上記１） と２）に述べたモル比の変動は、約５〜ＩＯＸのオーダーの変動を意味する。

以下において、鋳型または中子がこの発明による方法の手段により調整される方 法としての実施例が与えられる。

支旌」 まず、温度２０〜１２０℃において、鋳型成形素材の粒子とバインダー材溶液と を互いに混合し、バインダー材溶液が鋳型成形素材粒子の表面にくまなく付着さ せて、必要な鋳型成形混合物を調製する。鋳型成形混合物が混合されて、常法に より、温度２０〜１２０’Ｃのまま、鋳型が成形され、中子が調製される。この ように、鋳型は、成形される： １）手詰めまたは手詰め成形により、 ２）サンドスリングの手段による成形により、３）　コアシュータ−の手段によ るシューテイングにより、４）振動および／または圧縮により、 ５）他の知られた方法により、 これによって、ゆるく密着した鋳型または中子が得られる。

上記の方法で調製された“真新しい″鋳型または中子は、これを部分的に、また は、全面的に乾燥することによって所望の処理密度にされる。乾燥は、例えば、 次のような選択的方法で行なわれる： １）鋳型と中子は、例えば、温度１３０〜２００’Ｃで通常の加熱オーブンで行 なうことができる。

２）バインダー材水溶液がらのバインダー材の結晶化は、鋳型および／または中 子を交番電界および／または交番磁場におき、電気的または磁気的に極性化され た分子または原子グループの増加する運動エネルギーの効果により鋳型成形混合 物の加温を行なうことにより導かれる。

これは、鋳型丈たは中子をマイクロウェーブオーブンまたは高周波オーブンによ り加熱することで達成でき、そこでは、鋳型成形混合物に含まれている水の双極 子の運動の効果により、鋳型成形混合物は、内部から加熱され、それのすべての 部分が同時に硬化される。他方、鋳型または中子は、加熱装置で乾燥されること ができ、そこでは、誘導フィールドまたは容量フィールドの方向の変化を受ける 。このような装置において、鋳型成形混合物に含まれている水穴極子は、強制的 に移動され、その効果により、マイクロウェーブオーブンにおけると同様に、鋳 型成形混合物は、内部加熱され、それのすべての部分が同時に硬化される。

３）　上記１）と２）に記載した方法のいずれかで加熱される鋳型またはコアは 、バインダー材の溶剤、即ち、水を除去する目的のために、所望の温度、例えば 、５０〜１５０℃で部分的に減圧され、バインダー材と鋳型成形素材のの熱エネ ルギーを利用して、バインダー材の溶剤、即ち、水を鋳型または中子から気化ま たは蒸発させ、そこで、バインダー材をその化学組成を変えずに、物理現象の効 果で、結晶および／またはアモルファス状態にする。

４）鋳型または中子の乾燥は、また、上記１）または２）に記載の鋳型または中 子の加熱モードのいずれかを使用して行なうこともできるし、さらに、項目３） による部分減圧を同時に使用することもでき、この場合には、鋳型成形混合物を 予熱する必要がない。

この発明による方法においては、空気は、溶剤の気化にも、加熱にも使用できな い、何故ならば、そのような場合、未だ溶液の状態にあるバインダー材フィルム が空気に含まれている二酸化炭素と有害的に反応し、溶解しにくい炭酸塩が生成 される。この発明の方法においては、鋳型成形混合物からの溶剤の除去は、積極 的に沸騰させることにより行なわなければならず（即ち、溶剤のペーパー圧力は 、周囲の空気、ガスまたはペーパーの圧力よりも高くあるべきであり）、これに よって、バインダー材フィルムに存在する溶剤は、蒸発され、その間、無機塩が 完全に結晶化し、同時に、鋳型粒子を結合させる。この発明の方法においては、 溶剤の沸騰が鋳型成形混合物の表面から内部にかけて徐々に行なわれないように 、鋳型成形素材のあらゆる部分において、溶剤を実質的に同時に沸騰させること ができるようにしなければなならい、逆の場合、ゆっくり進行する沸騰において は、混合物に位在する溶剤は、鋳型成形素材の温度の低い部分で有害的に濃縮さ れてしまう、この発明の方法において、これが、鋳型成形素材における、すべて の部分において、溶剤を同時に沸点（飽和溶液における）に加熱する方法を使用 することが必要な理由である。この種の加熱方法は、例えば、上記２）に述べた 、急速な交番電磁フイールドで、このフィールドが水の極性化分子に作用し、溶 剤を高温にし、最終的に完全に蒸発させてしまうものである。

上記した方法で調製された固形鋳型または中子は、溶融金属を拒否する素材の手 段により浸漬コートされるか、被覆される。浸漬コート素材は、浸漬コート素材 の物理的混合物の溶剤または液体成分が鋳型または中子のバインダー材を溶解さ せない液体である素材である。このように、水は、前記の溶剤または液体成分と して使用してはならない、アルミン酸ナトリウムまたはメタ珪酸ナトリウムがバ インダー材トシテ使用されるとき、例えば、濃縮（無水）エチルアルコールまた はアセトンが浸漬コート素材の溶剤として使用できる。浸漬コート素材の溶剤と 中子または鋳型のバインダー材の溶剤の残余は、それらがあれば、鋳型と中子の 乾燥に使用される方法に相当する方法で、鋳型または中子から除去される。

ここにおいて、鋳型と中子は、鋳造工程のため、−緒に組立てられ、この組立て は、常法により行なうことができる。

鋳型を薄い壁または均等構造を含む対象物の鋳造に使用する場合、中子をもつ鋳 型は、金属ｔたは合金の流動性を改良するために、鋳造工程前に加熱してもよい 。

予熱は、バインダー材に害を与えずに、例えば、５０〜５００℃に加熱して行な うことができる。

他方、冷却効果を生むなめに、中子つき鋳型は、例えば、Ｏ〜−１５０℃の温度 家で冷却することができ、これは、バインダー材に有害な作用を与えない、冷却 は、空気、窒素またはアルゴンのような冷えたガスの手段により行なうことがで き、このガスは、バインダー材に対し、反応で水に溶解しない反応結果をもつよ うな化学反応しない。

中子つき鋳型は、通常の鋳造工場雰囲気でも、または、所望のバキュウムにおけ る負圧下でも鋳造できる。

鋳造物および／または鋳造される金属合金の所望の品質により、中子つき鋳型に は、窒素またはアルゴンのような適当な不活性ガスが充填されてもよく、これに よって、活性ガスと溶融金属との反応を防げる。

上記の方法で調製された鋳型と中子においては、鋳型成形粒子の間に多くのスペ ースがあり、これが鋳型または中子における必要なガスの移動を促進し、これは 、完成された鋳型と中子のガス浸透性が良好なことを意味する。ガス浸透性は、 鋳型成形素材の粒子ができるだけ大きく、鋳型成形素材の粒子が等しいサイズを 有するとき、最大化できる。それにもかかわらず、中子または鋳型の強度は、極 めて強い、常法により調製された鋳型と中子においては、原則として、均一なサ イズの粒子は、使用さす、何故ならば、そのような場合、鋳型と中子は、ピース となってしまう。

鋳造金属または金属合金が結晶化した後、鋳型と中子の分解が、水の手段により 鋳型素材のバインダー材を溶解することにより簡単に行なうことができる。何故 ならば、使用されるバインダー材は、可能な不活性ガスの充填、加熱または冷却 、鋳造、そして、鋳造金属の結晶化の後、溶剤、即ち、水に溶け、それによって 、鋳型の分解が埃なく有害な放出なしに液相で行なわれるようなものである。こ れが、この発明の方法において、とりわけ、この出願のい記述部分においてすで に記述した作業の安全性と環境問題に関連した従来技術の欠点が除去できる理由 である。バインダー材の溶解は、例えば、水噴射、水スチーム噴射または当該ピ ースを水に浸漬する手段により行なうことができる。

鋳型または中子を上記の方法で分解した後、鋳型成形素材粒子は、洗浄、乾ｆＲ 後、再使用のため、水溶液混合物から分離される。かくして、この方法において は、バインダー材は、常に再使用でき、これによって、はとんど閉じた循環が達 成できる。バインダー材が水に溶けた溶液は、溶液内のバインダー材の濃度が３ ０〜５０重量２に増加するまで、温度に依存して分解に使用できる。浸漬コート 素材から作られたスラッジは、−過により、分解溶液から除去できる。バインダ ー材は、冷却すれば、結晶化により、溶液を蒸発させて乾燥することにより、分 解溶液から分離できる。バインダー材溶液は、強アルカリ性であるが、しかしな がら、水に栄養を与えず、したがって、環境への危険を生じない、第一鉄金属は 、バインダー材溶液の作用で錆びず、バインダー材溶液は、第一鉄金属の表面を 不動態化する。

上記、この発明による方法は、実施例により記述されたが、しかしながら、この 発明は、前記実施例のみに限定されるものではない、この発明は、添附請求の範 囲に定義された発明アイデアの範囲内でモディファイされ、変化される。

補正書の（翻訳文）提出書

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．鋳型成形混合物に使用されるバインダー材が水に溶解する無機塩で、原則と して鋳造温度よりも高い高融点を有し、そして、前記塩が水に溶解するバインダ ー材溶液として粒子状の鋳型素材と混合するものであり、かつ、前記塩は、鋳型 を成形する工程において、その水溶液から物理的に結晶化し、その結果、バイン ダー材が鋳型素材の粒子間のソリッドなブリッジを形成し、このブリッジが鋳型 素材の粒子を結合し、前記塩の化学的特性が鋳型成形の工程と鋳造工程中、変化 しない状態で維持でき、鋳造工程後、前記塩は、水に溶解するか、または、バイ ンダー材の不飽和水溶液となって、鋳型の部分が分解できるようになることを特 徴とする鋳型と中子が粒状の鋳型成形素材と、鋳型成形粒子を結合するバインダ ー材から調製される、金属鋳造に用いられる鋳型と中子の調製のための方法。
2. ２．バインダー材と鋳型素材の主なミネラル成分とが鋳型成形と鋳造温度におい て、互いに化学的に反応しないようにバインダー材と鋳型素材とにより形成され る組合わせが選択されることを特徴とする請求の範囲１に請求された方法。
3. ３．使用されるバインダー材がアルミン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３） で、そのモル比が実質的に１：１であり、鋳型素材が鋼玉であるように、バイン ダー材と鋳型素材とにより形成される組合わせが選択されることを特徴とする請 求の範囲１または２に請求された方法。
4. ４．使用されるバインダー材がメタ珪酸ナトリウム（Ｎａ２Ｏ・ＳｉＯ２）で、 そのモル比が実質的に１：１であり、鋳型素材が珪砂であるように、バインダー 材と鋳型素材とにより形成される組合わせが選択されることを特徴とする請求の 範囲１または２に請求された方法。
5. ５．バインダー材水溶液からのバインダー材の結晶化が調製される鋳型および／ または中子を加熱することにより行なわれることを特徴とする前記請求の範囲い ずれかに請求された方法。
6. ６．バインダー材水溶液からバインダー材を結晶化するため、鋳型および／また は中子が交番電界および／または交番磁場におかれ、これによって、鋳型成形混 合物が電気的または磁気的に極性化された分子または原子グループの増加する運 動エネルギーの効果で加熱されることを特徴とする前記請求の範囲いずれかに請 求された方法。
7. ７．バインダー材水溶液からバインダー材を結晶化するため、調製される鋳型お よび／または中子がマイクロウエーブオーブンで加熱され、鋳型成形混合物を、 あらゆる部分で同時に加熱することを特徴とする前記請求の範囲いずれかに請求 された方法。
8. ８．バインダー材水溶液からバインダー材を結晶化するため、調製される鋳型お よび／または中子がフィールドの方向が絶えず変化し、鋳型成形混合物をあらゆ る部分で同時に加熱する誘電フィールドまたは容量フィールドの作用を受けるよ うにされることを特徴とする請求の範囲１〜６いずれかに請求された方法。
9. ９．鋳型成形混合物が部分減圧下におかれて加熱され、鋳型成形混合物に包含さ れた熱エネルギーがバインダー材溶液から水を蒸発させ、これによって、鋳型成 形混合物をすべての部分で同時に硬化させることを特徴とする前記請求の範囲い ずれかに請求された方法。
10. １０．調製された鋳型または中子がまず予熱され、そして部分減圧下におかれる ことを特徴とする請求の範囲９に請求された方法。
11. １１．調製された鋳型または中子が部分減圧下で加熱されることを特徴とする請 求の範囲９に請求された方法。